Rozwój i zastosowanie metod opartych na magnetycznym rezonansie j ądrowym do bada ń

mikroheterogennych układów zło żonych

WWłładysadysłław P. Waw P. WęęglarzglarzZakZakłład Tomografii Magnetyczno ad Tomografii Magnetyczno -- RezonansowejRezonansowej

Instytut Fizyki JInstytut Fizyki Jąądrowej PAN drowej PAN im. Henryka Niewodniczaim. Henryka Niewodniczańńskiegoskiego

TematykaTematykaWprowadzenie do stosowanych metod badawczychWprowadzenie do stosowanych metod badawczych

– Magnetyczna Relaksacja Jądrowa (MRJ)– Wymiana magnetyzacji (MT)– Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (MRI)– Dyfuzja anizotropowa (DT MRI)

♦♦ PrzykPrzykłłady wykorzystania do badaady wykorzystania do badańń mikroheterogennychmikroheterogennychukukłładadóów zw złłoożżonychonych– Polimery syntetyczne (polipropylen) - MRJ– Biopolimery (poliprolina, poliglicyna) – MRJ, MT– Drewno (celuloza) – MRJ, MT– Materiały żywnościowe (skrobia) - MRJ, MRI – Tkanki zwierzęce in vitro i in vivo (tkanka nerwowa) – DT MRI

Energia spinEnergia spinóów w polu magnetycznym w w polu magnetycznym I=1/2I=1/2

Pole magnetyczne B0

E

0Bγω =

Parametry jParametry jąąder rezonansowychder rezonansowych

Spin

162.1610017.25½31P

105.8410011.263/223Na

376.6610040.07½19F

100.681.1010.71½13C

400.2699.98542.58½1H

ωωωω0 w polu B0=9.4 T [MHz]

Naturalna

abundancja [%]γγγγ [s-1T-1]JJJądro

Obrazowanie MR (MRI): 1H, …Spektroskopia zlokalizowana (MRS): 1H, 13C, 31P, …

Ewolucja magnetyzacjiEwolucja magnetyzacji

B0

z

X’

Y’M0

1. Impuls RF 90 (wzbudzenie – dostarczenie energii)2. Relaksacja

1. Poprzeczna (spinowo-spinowa – T2, T2*)2. Podłużna (spinowo-sieciowa – T1 w polu Bo, T1ρ w polu B1)

T1

T2

Obrazowanie Obrazowanie magnetycznomagnetyczno--rezonansowe (MRI)rezonansowe (MRI)

Obiekt(próbka)

Pole elektro-

magnetyczne B1

Pole magnetyczne

B0

Gradienty pola

magnetycznego

MagnetycznyRezonans

Jądrowy (NMR)

ω = γω = γω = γω = γB0

SygnałTransformata

FourieraWidmoObraz

G 40mT/m

20T/s, 5kHz

10%

Nowoczesny skaner MRI

B0 0.2-11.7T

statyczne

1ppm

RF – B1 25µT

8-500MHz

10%

Analiza 2D czasAnaliza 2D czasóów relaksacji w relaksacji program program CracSpinCracSpin

),(),(),,,( 0 22ijij

11i21 atRaRAataRrrrr

∑ ⋅+= ττ

( )( ),...,...;...,...,

,...,...;...,...,

22

11

ii

ii

mTa

mTa

≡≡

r

r

W.P. Węglarz, H. Harańczyk, J. Phys. D: Appl. Phys. 33, 1909-1920 (2000)

Magnetyczna Relaksacja JMagnetyczna Relaksacja Jąądrowa drowa i Wymiana Magnetyzacji w i Wymiana Magnetyzacji w

((bio)polimerachbio)polimerach

♦♦ Polimery syntetyczne (polipropylen) Polimery syntetyczne (polipropylen)

♦♦ Drewno (celuloza) Drewno (celuloza)

♦♦ Biopolimery (Biopolimery (poliprolinapoliprolina, , poliglicynapoliglicyna))

♦♦ Wymiana magnetyzacji na granicy wodaWymiana magnetyzacji na granicy woda--llóódd

Physics Department, Uniwersity of WaterlooWaterloo, Kanada

PolypropylenPolypropylen

w. krystaliczny (w. krystaliczny ( izotaktycznyizotaktyczny ))w. amorficzny (w. amorficzny ( ataktycznyataktyczny ))TTtt:: 174 174 ººC (C (izotaktycznyizotaktyczny ))TTgg:: --17 17 ººCC0.855 g/cm0.855 g/cm 33, f. amorficzna, f. amorficzna0.946 g/cm0.946 g/cm 33, f. krystaliczna, f. krystaliczna

Polipropylen Polipropylen izotaktycznyizotaktyczny2D analiza relaksacji (T2D analiza relaksacji (T11ρρ –– TT22))

W.P. Węglarz , H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)

35 ºC-75 ºC

Polipropylen Polipropylen izotaktycznyizotaktyczny2D analiza relaksacji (T2D analiza relaksacji (T11ρρ –– TT22))

W.P. Węglarz , H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)

Polipropylen Polipropylen 2D analiza relaksacji (T2D analiza relaksacji (T11 –– TT22))

W.P. Węglarz , H. Peemoeller, A. Rudin - J. Polym. Sci. B (Polymer Physics), 38, 2487-2506 (2000)

35 ºC

Polipropylen Polipropylen izotaktycznyizotaktyczny

Skorelowane pomiary (TSkorelowane pomiary (T11ρρ –– TT22) i (T) i (T11 –– TT22))♦♦ Pierwsze tak dokPierwsze tak dokłładne pomiary i analiza adne pomiary i analiza ♦♦ Identyfikacja faz krystalicznej i amorficznejIdentyfikacja faz krystalicznej i amorficznej♦♦ Wyznaczenie stopnia krystalicznoWyznaczenie stopnia krystalicznośści ci ♦♦ PrzejPrzejśścia fazowe w fazie amorficznejcia fazowe w fazie amorficznej

– Przejście z fazy szklistej do plastycznej -15 ºC, 15 ºC, 70 ºC

– Przejścia w fazie plastycznej♦♦ Dyfuzja spinowa Dyfuzja spinowa

Analiza wymiany magnetyzacjiAnaliza wymiany magnetyzacjiProgram Program ExFitExFit

...)(...)()(...)...()( ++++++++−= τττ

ττ

pipjijiipijii mkmkmkkR

d

dm

m C e C e C ei i i i( )τ λ τ λ τ λ τ= + +− − − + −− +0 0

Drewno Drewno

Celuloza 40-50 %Hemicelulozy 20-35 %Ligniny 15-35 %

Drewno Drewno –– czasy relaksacji czasy relaksacji 11H H

Drewno osikiUdział protonów [%]

-OH 27,3-CH3 10,5Inne 62,2

Analiza wymiany magnetyzacji Analiza wymiany magnetyzacji drewno osikidrewno osiki

kab=64 s-1 kbc=640 s-

1

T1a = 870 ms T 1b = 29 ms

T1c = 19 ms

Wood A73 %

T2a = 14 ms

Wood B10 %

T2b = 28 µµµµs

H2O17 %

T2c=0.8 ms

LATTICE

D. A. Oleskevich, N. Ghahramany, W. P. Weglarz , H. Peemoeller –J. Magn. Reson., B 113, 1–8 (1996)

Wood B ≡ protony grup -OH dostepnych dla wody

Wymiana magnetyzacjiWymiana magnetyzacjiwoda woda -- llóódd

♦♦ PEG/HPEG/H220 (25/75% w/w)0 (25/75% w/w)

♦♦ -- 25 25 ººCC

PEG ↔ woda ↔ lód

kPEG-woda 12 s-1

Kwoda-lód 1 s-1

M0[%] T 1[ms]

Lód 75,6 70Woda 3,0 10PEG 21,4 290

W.P.Węglarz , H.Peemoeller, J. Magn. Reson., 124, 484-485 (1997).

Wymiana magnetyzacji Wymiana magnetyzacji poliglicynapoliglicyna -- wodawoda

H. Peemoeller, M.B. MacMillan, W.P. Weglarz , et. al. Biopolymers, 50(6), 630-640 (1999)

Woda w materiaWoda w materiałłach ach żżywnoywnośściowychciowych

♦♦ „„GravimetricGravimetric TimeTime DomainDomain NMRNMR””

– Wyznaczanie zawartości wody i frakcji rozpuszczalnej ♦♦ Obrazowanie magnetycznoObrazowanie magnetyczno--rezonansowe migracji wodyrezonansowe migracji wody

– Szybkie uwadnianie – „instant food”

– Wolne uwadnianie – „shelf life”

UnileverUnilever FoodFood andand HealthHealth ResearchResearch InstituteInstitute, ,

DeptDept. . ofof AdvancedAdvanced MeasurementsMeasurements andand ImagingImaging, ,

VlaardingenVlaardingen, Holandia, 2005, Holandia, 2005--2007, 2007,

MC EIF MC EIF FellowshipFellowship –– „„WATERMAPWATERMAP””

StarchStarch

TimeTime DomainDomain NMR NMR solid

liquid

increased water content & mobility (T2)

( )

WMWLMSLS

3

iTt

eiL

wtwtsin2

Tt

s2

Tt

gS

SSSSSSSS

)exp(AS

))(exp(A))(exp(AS

2ei

2s2g

+=++=+=

−=

⋅−+−=

∑

GravimetricGravimetric TD NMRTD NMRModel uwadniania Model uwadniania

dryWMdry

WMM

W MCm

m

S

S ⋅=∆= ρρ

I. Sucha masa próbki znanamM = mdry = m0mW = m-m0 = ∆m

II. Sucha masa próbki nieznanamM = mdry = m0 -δm0mW = ∆m + δm0

0*

0*0

0

00

*

S

mS

m

Sm

m

S

S

WMWM

WM

WMM

W

δρρρδδ

δρ

−=

⋅=

+∆=

W.P. Węglarz , M. Witek, C. Inoue, J. van Duynhoven, H. Van As, Proc. ISOPOW 10, Jan. 2010, Wiley-Blackwell (2010) 411

Uwadnianie ryUwadnianie ryżżuu

0.85 0.85 –– 1.21.2Lipids

1.01.0Water

1.51.5Amylose (type B)

1.751.75Amylose (type A)

1.81.8Amylose

ρρ

M. Witek, W.P. Węglarz, et. al., Food Chemistry, 120 (4), (2010), 1031 -1040

Model uwadniania Model uwadniania frakcja rozpuszczalna/plastycznafrakcja rozpuszczalna/plastyczna

W.P. Węglarz , M. Witek, C. Inoue, J. van Duynhoven, H. Van As, Proc. ISOPOW 10, Jan. 2010, Wiley-Blackwell (2010) 411

dry

S

dry

SNS

S

dry

dry

SNS

W

M

W

m

m

m

mm

m

m

mS

S⋅

−

⋅+∆⋅

−

⋅=

1

1

1

1

ρρ

ρρ

TD NMR (FID TD NMR (FID –– CPMG)CPMG)

solid

liquid

increased water content & mobility (T2)

FSE (RARE)SPI

Obrazowanie migracji wody Obrazowanie migracji wody „„instant instant foodfood””

♦♦ Metoda pomiaru:Metoda pomiaru:RARE (Fast Spin Echo)RARE (Fast Spin Echo)

♦♦ TemperaturTemperaturaa: : 25 25 °°C lub C lub 60 60 °°CC

♦♦ RozdzielczoRozdzielczośćść czasowaczasowa: : ~4 min lub ~4 min lub ~2 min ~2 min

♦♦ RozdzielczoRozdzielczośćść przestrzennaprzestrzenna: : ~0.3 mm~0.3 mm (3D)(3D)

H2O

Sucha próbkaMigracja wody

Obrazowanie migracji wody

W.P. Węglarz et. al. , Food Chemistry, 106 (2008), 1366-1374

Obrazowanie uwadnianiaObrazowanie uwadniania„„instant instant foodfood””

1. uwadnianie kapilarne,

2. nasiąkanie matrycy i pęcznienie

Obrazowanie migracji wody Obrazowanie migracji wody PorPoróównanie strukturwnanie struktur

Hydration - different structures

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

#1 #2 #3 #4 #5 #6 #7 #8 #9

Structure

Hyd

ratio

n tim

e [m

in]

90%

50%

10%

Obrazowanie migracji wody – „shelf life”

Zadania:Deweloper produktu: zatrzymać wilgoć w nadzieniu ~3 miesiąceNaukowiec: wyjaśnić dlaczego po 4 tygodniach jest źle ?

Obrazowanie migracji wody – „shelf life”

Metoda pomiaru:SPI(niskie uwodnienie,krótki T2)

bariera jogurt„normalna” bariera

„catastrophic failure”

nadzienie

shell

Obrazowanie migracji wody – „shelf life”

nadzieniebarieraotoczka zbożowa

11d 29d 50d 86d

Obrazowanie dyfuzji anizotropowej w Obrazowanie dyfuzji anizotropowej w tkankach nerwowychtkankach nerwowych

♦♦ Dyfuzja anizotropowaDyfuzja anizotropowa

– Dyfuzja ograniczona– Tensor dyfuzji

♦♦ Tkanka nerwowa rdzenia krTkanka nerwowa rdzenia kręęgowegogowego♦♦ Zastosowania obrazowanie dyfuzji Zastosowania obrazowanie dyfuzji

anizotropowejanizotropowej

– Traktografia– Uszkodzenia rdzenia kręgowego

Zakład Tomografii MR IFJ PAN

Dyfuzja swobodna i ograniczonaDyfuzja swobodna i ograniczona

∆⋅⋅= DR 2

∆∆∆∆ czas dyfuzjiR średnie przemieszczenieD współczynnik dyfuzji

R2

∆∆∆∆

H2O, 21oC D = 2x10-3 mm2/s

∆ [ms] 10 40 100R [µm] 6 12 20

RdzeRdzeńń krkręęgowy gowy -- ggłłóówne szlaki nerwowe wne szlaki nerwowe

www.paraplegic-online.com

Pomiar dyfuzjiPomiar dyfuzji

G Gt

G

∆

DbA

bA ⋅−=

)0(

)(ln ( )[ ]δδγ 3

1222 −∆= Gb

δ

RdzeRdzeńń krkręęgowy gowy -- budowabudowa

Obrazowanie MR dyfuzji Obrazowanie MR dyfuzji anizotropowejanizotropowej

0 360 810 1440 2250 3240b[s/mm2]

RdzeRdzeńń krkręęgowy gowy –– dyfuzja ograniczonadyfuzja ograniczona

Diffusion TensorDiffusion Tensor

lnA ( )A (0)

2 b D,

b

= −

=∑γ α β

α βα β

1

3

6 independent components

βααβ

αβ

DD

DDD

DDD

DDD

D

zzzyzx

yzyyyx

xzxyxx

=

= ,

=

3

2

1

00

00

00

λλ

λ

αβDdiagonalisation

L. Minati, W.P. Węglarz, Concepts in Magnetic Resonance, 30A (5), 278-307 (2007)

xy

z

Dyfuzja anizotropowa Dyfuzja anizotropowa -- mmóózgzg

1.5T, zdrowy wolontariusz, Centrum Obrazowania Helimed sp. z o.o. , Katowice

TraktografiaTraktografia –– skrzyskrzyżżowane wowane włłóóknakna

Tensory wyższych rzędów Harmoniki sferyczneDiffusion Spectrum Imaging - DSI

L. Minati, W.P. Węglarz, Concepts in Magnetic Resonance, 30A30A30A30A (5), 278-307 (2007)

Uszkodzenie rdzeniaUszkodzenie rdzenia

Mechanizmy pierwotne Mechanizmy pierwotne uszkodzeniauszkodzenia

♦♦ Zniszczenie mechaniczne Zniszczenie mechaniczne struktury rdzenia (rozerwania, struktury rdzenia (rozerwania, ststłłuczenia, rozciuczenia, rozciąągnignięęcia)cia)

♦♦ Przemieszczenia elektrolitPrzemieszczenia elektrolitóóww

♦♦ Spadek aktywnoSpadek aktywnośści ci NaNa++--KK++--ATPATP--azyazy

♦♦ Zniesienie bariery krewZniesienie bariery krew--mmóózgzg--rdzerdzeńń

♦♦ KrwotokiKrwotoki

Mechanizmy wtMechanizmy wt óórne rne uszkodzeniauszkodzenia

♦♦ ObrzObrzęęk k ♦♦ NiedokrwienieNiedokrwienie♦♦ PobudzajPobudzająące aminokwasy ce aminokwasy

((ekscytotoksycznoekscytotoksycznośćść))♦♦ Penetracja CaPenetracja Ca++++ do komdo komóórekrek♦♦ Wolne rodniki Wolne rodniki –– peroksydacjaperoksydacja

lipidlipidóóww♦♦ Nacieki zapalneNacieki zapalne

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

1 6 11 16 21

Numer ROI

DL

[10

-3m

m2 /s

]

0

0,050,1

0,150,2

0,25

1 6 11 16 21

Numer ROID

T [1

0-3m

m2 /s

]

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1 6 11 16 21

Numer ROI

IDUszkodzenie rdzenia krUszkodzenie rdzenia kręęgowegogowego

1 mm

1 ... 22

path #2

spinalcord lesion

A.T. Krzyżak et. al., Acta Neurobiol. Exp. 65, 255-264 (2005)W.P. Weglarz et. al., Appl. Magn. Reson., 15, 333-341 (1998)

Uszkodzenie rdzeniaUszkodzenie rdzenia

T2

T2

DT

DL

cysta cysta + blizna

5 mm

Uszkodzenie rdzeniaUszkodzenie rdzenia -- DW MRIDW MRI

0 1 2 3 40,0000

0,0004

0,0008

0,0012

0,0016

0,0020

0,0024

DL [m

m2/s

]

numer pomiaru

istota biała istota szara

1

0 1 2 3 40,0000

0,0004

0,0008

0,0012

0,0016

0,0020

0,0024

DT

[m

m2 /s

]

numer pomiaru

istota biała istota szara

1

0 1 2 3 40,0000

0,0004

0,0008

0,0012

0,0016

0,0020

0,0024

3 istota biała istota szara

numer pomiaru

DL [m

m2 /s

]

0 1 2 3 40,0000

0,0004

0,0008

0,0012

0,0016

0,0020

0,00243

DT

[m

m2/s

]

numer pomiaru

istota biała istota szara

Pomiar kontrolny Uszkodzenie rdzenia

Ograniczanie skutkOgraniczanie skutkóów urazuw urazu

Tomograf MR

z magnesem nadprzewodzącym 9,4T

Zalety:

- Wysokie pole – lepszy SNR

- Bogate wyposażenie i

oprogramowanie sterujące

(kilkanaście głowic

pomiarowych; krio-cewka)

- Szeroki zakres możliwych do

zastosowania technik

obrazowania i spektroskopii

zlokalizowanej (1H, 31P, 13C,

19F)

Zastosowanie:

Badania biomedyczne (modele

zwierzęce)

Badania materiałowe

Instalacja – maj 2011

„„Wirtualna histologiaWirtualna histologia””

♦♦ MMóózg oposa exzg oposa ex--vivo; vivo; ProhanceProhance; 9,4T; 50x50x50 ; 9,4T; 50x50x50 µµmm33

MMóózg myszy zg myszy inin vivovivo9.4 T , 9.4 T , kriocewkakriocewka, IR, IR--UTEUTE

TE 350 µsRozdzielczość: 120x120 µmWarstwa: : 1 mm

Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie

1986

Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce

2011

Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce

Obrazowanie MR w IFJ w Krakowie1986

Pierwszy skaner MR 0.6T w Polsce

2011

Pierwszy skaner MR 9.4T w Polsce

Prof. Andrzej JasiProf. Andrzej Jasińńskiski

1940 1940 -- 20112011

1986 1986 firstfirst MRI MRI inin PolandPoland

(MR (MR MicroscopeMicroscope))

0.6T 0.6T permanentpermanent magnet, magnet, BrukerBruker MSL MSL electronicselectronics,,CAMAC CAMAC basedbased controlcontrol unitunit

Obrazowanie MR w Polsce

DziDzięękujkujęę za uwagza uwagęę